DE3931685A1 - Waermetauscher zum kuehlen von reaktionsgas - Google Patents
Waermetauscher zum kuehlen von reaktionsgasInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von in einem
Röhrenofen hergestelltem Reaktionsgas mit den Merkmalen des
Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Derartige Wärmetauscher dienen zur schnellen Abkühlung von
Reaktionsgasen aus Spaltöfen und Industrieanlagenreaktoren bei
gleichzeitiger Erzeugung von Hochdruckdampf als wärmeabführendes
Medium. Zur Erreichung bestmöglicher Spaltausbeute muß das aus
dem Röhrenofen austretende heiße Reaktionsgas in kürzestmöglicher
Zeit auf eine Zwischentemperatur abgekühlt werden, bei der die
im Reaktionsgas ablaufenden chemischen Reaktionen zum Stillstand
kommen. Die weitere Abkühlung des Reaktionsgases bis auf die
gewünschte Endtemperatur kann dann langsamer und unter
Berücksichtigung anderer, zum Beispiel ökonomischer oder
prozeßtechnischer Kriterien erfolgen. Für die Spaltausbeute ist ein
niedriger gasseitiger Gesamtdruckverlust von großer Bedeutung.
Ebenso ist aus ökonomischen Gründen eine kurze Baulänge erwünscht.
Es ist bekannt (GB-PS 10 87 512), das Spaltgas in einem einzelnen
gekühlten Rohr, das direkt an den Ofenaustritt angeschlossen ist,
bis auf die Endtemperatur abzukühlen. Dadurch ist zwar eine schnelle
Gasabkühlung gewährleistet, jedoch muß ein hoher Druckverlust
in Kauf genommen werden. Aus der GB-PS 10 87 512 ist es weiterhin
bekannt, die Abkühlung zweistufig vorzunehmen, wobei die erste
Stufe wiederum aus einem einzelnen, an den Ofenaustritt
angeschlossenen gekühlten Rohr besteht, das das Gas in kürzester
Zeit auf die erforderliche Zwischentemperatur abkühlt. Anschließend
wird das Spaltgas über verbindende Rohrleitungen in einen zweiten
separaten Apparat geleitet, in dem die Restabkühlung vorgenommen
wird. Der Bauaufwand durch zwei separate Apparate ist sehr groß.
Ferner entsteht durch die Apparateverbindung ein hoher Druckverlust,
der sich nachteilig auf die Spaltausbeute auswirkt.
Es ist weiterhin bekannt, mehrere Ofenaustritte zusammenzufassen
und das Spaltgas über eine Eintrittskammer auf mehrere Kühlrohre
eines Wärmetauschers zwecks Abkühlung zu verteilen. Nachteilig
hierbei ist, daß das Spaltgas beim Einströmen in die Eintrittskammer
infolge der Volumenvergrößerung eine Verlangsamung erfährt, durch
die das Abkühlen des Gases nach dem Austritt aus dem Spaltofen
verzögert wird, was sich negativ auf die Spaltausbeute auswirkt.
Da außerdem die Eintrittskammer ungekühlt ist, setzt die Abkühlung
des Gases verzögert ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Einhaltung günstiger
Prozeß- und Abkühlbedingungen den Bauaufwand eines gattungsgemäßen
Wärmetauschers zu verringern.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei diesem Wärmetauscher ist die erste und die zweite Kühlstufe von
einem gemeinsamen Mantel umschlossen, der der Aufnahme des
Kühlmediums dient. Beide Kühlstufen sind damit in einem einzigen
Aggregat zusammengefaßt, so daß sich der Bauaufwand verringert.
Die schnelle Abkühlung des Reaktionsgases in der ersten Kühlstufe
bis zur Zwischentemperatur setzt unmittelbar hinter dem Ofenaustritt
ohne Geschwindigkeitsverringerung ein. Die Endabkühlung in der
direkt integrierten zweiten Kühlstufe erfolgt mit geringerer
Massengeschwindigkeit und damit mit geringerem Druckverlust. Dabei
kann die zweite Kühlstufe erheblich kürzer ausgeführt werden als
ein Einzelrohr. Die Verteilkammer zwischen der ersten und der
zweiten Kühlstufe kann ebenfalls gekühlt sein und damit zur
Wärmeübertragung beitragen. Die konische Ausbildung der Verteilkammer
bewirkt einen Druckrückgewinn und damit einen verringerten
Gesamtdruckverlust.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den Längsschnitt durch einen Wärmetauscher
zum Kühlen von Reaktionsgas und
Fig. 2 schematisch den Längsschnitt durch einen anderen
Wärmetauscher zum Kühlen von Reaktionsgas.
Die dargestellten Wärmetauscher dienen zum schnellen Abkühlen
von Spaltgas oder einem anderen Reaktionsgas, das in einem als
Röhrenofen ausgebildeten Spaltofen oder Chemieanlagenreaktor
hergestellt ist. Der Röhrenofen, der nicht dargestellt ist, besteht
aus einzelnen beheizten Röhren, die von dem zu erzeugenden Spaltgas
durchströmt sind.
Der Wärmetauscher enthält zwei Kühlstufen, von denen die erste
ein Einzelrohrwärmetauscher mit einem Einzelrohr 1 und die zweite
ein Bündelrohrwärmetauscher mit Rohren 2 ist. Das Einzelrohr 1
ist von einem Außenrohr 3 umgeben und auf der Gaseintrittsseite
mit diesem über einen Ringflansch 4 dicht verbunden. Das Einzelrohr 1
ist über eine weitgehend von thermischen Spannungen freie Verbindung
an eine Röhre des Röhrenofens direkt angeschlossen. Dabei entsprechen
die Innenabmessungen der Röhre weitgehend denen des Einzelrohres 1.
Das gasaustrittsseitige Ende des Einzelrohres 1 mündet in eine
Verteilkammer 5, die durch eine Rohrplatte 6 begrenzt ist. In
die Rohrplatte 6 sind die Rohre 2 des Rohrbündels mit ihren
gaseintrittsseitigen Enden gasdicht eingeschweißt. Eine zweite
Rohrplatte 7 nimmt gasdicht die gasaustrittsseitigen Enden der
Rohre 2 auf. An die Rohrplatte 7 schließt sich eine
Gasaustrittskammer 8 zur Abführung des gekühlten Spaltgases an.
Ein Außenmantel 9 umschließt einen Innenraum 10 und umgibt die
Rohre 2.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Wärmetauscher erweitert sich die
Verteilkammer 5 ausgehend von dem Querschnitt des Einzelrohres 1
konisch in Strömungsrichtung des Spaltgases. Der Durchmesser der
die Verteilkammer 5 begrenzenden Rohrplatte 6 ist geringer als
der Innendurchmesser des Außenmantels 9. Im Bereich der
Verteilkammer 5 ist das Außenrohr 3 mit dem Außenmantel 9 über
ein konisches Zwischenstück 11 verbunden. Auf diese Weise ist
der Ringraum 12 zwischen dem Einzelrohr 1 und dem Außenrohr 3
mit dem von dem Außenmantel 9 umschlossenen Innenraum 10
verbunden, so daß beide Räume 10, 12 von einem Kühlmittel
durchgehend durchströmt werden können. Damit liegt auch die
Verteilkammer 5 innerhalb des Kühlmediumstromes und kann mit zur
Abkühlung des Spaltgases herangezogen werden.
Als Kühlmedium dient unter hohem Druck stehendes Wasser, das über
einen oder mehrere Eintrittsstutzen 13 dem Wärmetauscher zugeführt
wird. Das Wasser verdampft durch Wärmeaufnahme aus dem das
Einzelrohr 1, die Verteilkammer 5 und die Rohre 2 durchströmenden
Spaltgas und tritt als Wasser-Dampf-Gemisch durch einen oder mehrere
Austrittsstutzen 14 aus. Der Eintrittsstutzen 13 ist an dem
Außenrohr 3 und der Austrittsstutzen 14 ist an dem Außenmantel 9
angebracht.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Wärmetauscher ist das Einzelrohr 1
parallel zu den Rohren 2 durch den Außenmantel 9 hindurchgeführt
und vorzugsweise in der Längsachse des Außenmantels 9 angeordnet.
Die Verteilkammer 5 ist durch die Rohrplatte 6 und eine Haube 15
begrenzt, die beide an einem Ende an dem Außenmantel 9 befestigt
sind. Die in den Außenmantel 9 eingesetzte, gasaustrittsseitige
Rohrplatte 7 ist mit dem Außenrohr 3 verbunden, das bei dieser
Ausführungsform das Einzelrohr 1 nur noch auf einer Teillänge
umgibt. Das Außenrohr 3 ist von einer ringförmigen Gassammelkammer
16 umgeben, die mit einem Gasaustrittsstutzen 17 versehen und
gegenüber dem Innenraum 10 durch die Rohrplatte 7 begrenzt ist.
Im Gegensatz zu dem Wärmetauscher gemäß Fig. 1, bei dem das zu
kühlende Spaltgas das Einzelrohr 1 und die Rohre 2 ohne Änderung
der Strömungsrichtung durchströmt, sind bei dem Wärmetauscher
gemäß Fig. 2 das Einzelrohr 1 und die Rohre 2 gasseitig in
Gegenrichtung durchströmt. Im übrigen stehen auch bei dem
Wärmetauscher gemäß Fig. 2 der Ringraum 12 und der Innenraum 10
in Verbindung und sind von dem gleichen Kühlmedium durchströmt.
Dabei ist wiederum der Eintrittsstutzen 13 für das Kühlmedium
an dem Außenrohr 3 und der Austrittsstutzen 14 an dem Außenmantel 9
angebracht.
Das in dem Röhrenofen erzeugte Spaltgas strömt zur Abkühlung in
das Einzelrohr 1 des die erste Kühlstufe darstellenden
Einzelrohrwärmetauschers ohne Volumenänderung und ohne Verzögerung
durch eine Volumen- oder Geschwindigkeitsänderung ein. Das Spaltgas
gibt unmittelbar hinter dem Austritt des Röhrenofens seine Wärme
an das um das Einzelrohr 1 in dem Ringraum 12 befindliche Kühlmedium
ab. Das Spaltgas kann damit mit hoher Massengeschwindigkeit und
dadurch in kürzester Zeit auf die erforderliche Zwischentemperatur
abgekühlt werden. Das Spaltgas tritt aus dem Einzelrohr 1 direkt
in die Verteilkammer 5 ein, die bei konischer Ausgestaltung einen
Druckrückgewinn ermöglicht und damit eine Senkung des
Gesamtdruckverlustes bewirkt. Aus der Verteilkammer 5 tritt das
Spaltgas direkt in die Rohre 2 des die zweite Kühlstufe darstellenden
Rohrbündels ein. Das Spaltgas durchströmt diese Rohre 2 mit
geringerer Massengeschwindigkeit und damit mit gewünschtem
geringeren Druckverlust. Es gibt seine Wärme an das umgebende
Kühlmedium innerhalb des Innenraumes 10 ab und wird auf Endtemperatur
abgekühlt.
Claims (5)
1. Wärmetauscher zum Kühlen von in einem Röhrenofen hergestelltem
Reaktionsgas mit einem von einem Außenrohr (3) umgebenen,
gekühlten Einzelrohr (1), das an eine der Röhren des Röhrenofens
direkt angeschlossen ist und das über eine Verteilkammer (5)
mit einem von einem Außenmantel (9) umgebenen Rohrbündel
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das das Einzelrohr (1)
umgebende Außenrohr (3) und der das Rohrbündel umgebende
Außenmantel (9) miteinander verbunden und jeweils mit einem nur
der Zuführung oder Abführung von Kühlmittel dienenden Stutzen
(13, 14) versehen sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Außenrohr (3) des Einzelrohres (1) im Bereich der Verteilkammer
(5) mit dem die Verteilkammer (5) umschließenden Außenmantel (9)
verbunden ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Verteilkammer (5) in Strömungsrichtung des
Reaktionsgases konisch erweitert und von einer die
gaseintrittsseitigen Enden der Rohre (2) aufnehmenden Rohrplatte
(6) begrenzt ist, deren Durchmesser geringer ist als der
Innendurchmesser des Außenmantels (9).
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Einzelrohr (1) parallel zu den Rohren (2) durch den Außenmantel
(9) hindurchgeführt ist, daß die Rohre (2) und das Einzelrohr (1)
in entgegengesetzter Richtung von dem zu kühlenden Reaktionsgas
durchströmt sind und daß das Außenrohr (3) mit dem Außenmantel
(9) über eine die gasaustrittsseitigen Enden der Rohre (2)
aufnehmende Rohrplatte (7) verbunden ist.
5. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenquerschnitt einer Röhre des Röhrenofens dem
Innenquerschnitt des an die Röhre unmittelbar angeschlossenen
Einzelrohres (1) entspricht.
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